1 Raffreddamento delle macchine elettriche

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Gregorio Bartolini
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1 1 Raffreddamento delle macchine elettriche Le perdite sono proporzionali al peso del componente. s La cessione all ambiente del calore prodotto da tali perdite, avviene attraverso la superficie esterna. Il peso dipende da s3 e la superficie di scambio termico da s2, quindi le perdite, al crescere delle dimensioni e quindi del volume e della superficie esterna della macchina, aumentano più rapidamente della superficie di scambio termico attraverso la quale vengono dissipate. Quindi: all aumentare della potenza di una macchina elettrica devono essere adottati sistemi di raffreddamento più efficaci che portino ad un maggior scambio termico (W/cm2) sulla superficie di scambio 1

Il peso dipende da s3 e la superficie di scambio termico da s2, quindi le perdite, al crescere delle dimensioni e quindi del volume e della superficie esterna della

2 Raffreddamento dei trasformatori Rete termica equivalente in regime stazionario di un trasformatore Gcu-fe~ 0 olio ol cu Fe Cu fe Pcu Pfe O 2

3 Sigle prevista dalle Norme CEI per il raffreddamento dei trasformatori 1a lettera 2a lettera 3a lettera Mezzo refrigerante a contatto con gli avvolgimenti Natura del mezzo Tipo di circolazione Natura del mezzo refrigerante simbolo Olio isolante (infiammabile) O Liquido isolante non infiammabile L Gas G Acqua W Aria A Tipo di circolazione Naturale N Forzata non guidata F Forzata e guidata D 4a lettera Mezzo refrigerante a contatto con il sistema esterno di raffreddamento Natura del mezzo Tipo di circolazione esempi ONAN Trasformatore in olio con circolazione naturale dell olio e dell aria ONAF Trasformatore in olio con circolazione naturale dell olio e forzata dell aria AN Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell aria ANAF Trasformatore a secco con raffreddamento naturale dell aria all interno e forzata all esterno 3

lettera Mezzo refrigerante a contatto con il sistema esterno di raffreddamento Natura del mezzo Tipo di circolazione esempi ONAN Trasformatore in olio con circolazione naturale dell olio e dell aria

4 A secco con ventilazione naturale in aria : AN a secco in resina 4

5 In olio con circolazione naturale dell olio e raffreddamento naturale in aria: ONAN 5

6 Trasformatore in olio a raffreddamento naturale del olio e dell aria (ONAN) serbatoio olio radiatori 6

7 In olio con circolazione naturale dell olio raffreddato ad aria forzata: ONAF aria aria olio In olio con circolazione forzata e guidata dell olio raffreddato ad aria forzata: ODAF aria 7

8 Trasformatore circolazione guidata dell olio e con ventilazione forzata (ODAF) 8

9 olio In olio con circolazione forzata e guidata dell olio raffreddato con scambiatori ad acqua: ODWD acqua scambiatori di calore scambiatori di calore 9

10 Fotografia all infrarosso di un trsaformatore in servizio (in rosso le parti a temperatura maggiore) 10

11 Raffreddamento di macchine rotanti di piccola potenza rotore con palette di ventilazione circuito aperto ventilazione di macchina chiusa 11

12 Raffreddamento di motori di piccola potenza alette di ventilazione ventola 12

13 Raffreddamento di macchine rotanti di potenza macchina ad asse orizzontale raffreddata in ciclo aperto macchina ad asse orizzontale raffreddata in ciclo chiuso refrigerante 13

14 Macchina di potenza con raffreddamento ad aria in circuito aperto alette di raffreddamento ventola di raffreddamento 14

15 Schema di raffreddamento in circuito aperto di un alternatore ad asse verticale 15

16 Schema di raffreddamento in circuito chiuso di un alternatore ad asse verticale refrigeranti 16

17 Raffreddamento in circuito chiuso dello statore di un alternatore di grande potenza pannelli di refrigerazione 17

18 Generatore sincrono a 4 poli con ventilazione bilaterale ad aria (2 ventilatori assiali e canali radiali nel nucleo magnetico) ventilatori assiali 18

19 Schema di raffreddamento in aria di un turboalternatore l aria di raffreddamento circola nelle camere di fondazione della macchina apparecchiature di refrigerazione per l aria 19

20 Alternatore raffreddato ad idrogeno e con circolazione di acqua demineralizzata nell avvolgimento di statore 20

21 Schema di ventilazione di un turboalternatore raffreddato ad idrogeno ed acqua demineralizzata nell avvolgimento di statore acqua demineralizzata scambiatori di calore per il raffreddamento dell idrogeno idrogeno ventilatore centrifugo canali di raffreddamento nel nucleo statorico 21

22 Avvolgimento statorico raffreddato ad acqua acqua demineralizzata di raffreddamento blocco sostegno camera acqua piattine di rame pieno piattine cave in acciaio inox per la circolazione dell acqua blocchi di rame per il collegamento delle barre dell avvolgimento camera acqua in acciaio inox 22

23 Conduttore attivo di statore raffreddato ad acqua bietta isolamento fori di adduzione dell acqua di raffreddamento 23

24 Schema semplificato per la demineralizzazione dell acqua di raffreddamento dello statore avvolgimento deionizzatore filtro refrigerante serbatoio polmone pompe di circolazione 24

25 V = portata volumetrica del fluido di raffreddamento [m 3/s] θe = temperatura in entrata [ C] θu = temperatura in uscita [ C] δ = peso specifico del fluido di raffreddamento [kg/m3] cp = calore specifico a pressione costante del fluido di raffreddamento [J/kg C] Potenza scambiata tra macchina e fluido di raff. contenuto termico specifico Asp = δ cp θm θ θe = u 2 Portata volumetrica specifica [W] J kg J = kg C m 3 m 3 C V= Vsp = P = δ c pv (θ u θ e ) P 2 Asp (θ u θ e ) V 1 = P 2 Asp (θ u θ e ) 25 [m 3 /s] [m 3 /W s]

26 Vsp = 1 2 Asp θ Asp θ ( C) Vsp aria 1150 (J/ C m3) 25 2,1 (m3/kw min) olio 1550 (J/ C dm3) 14 2,7 (dm3/kw min) acqua 4180 (J/ C dm3) 14 1,0 (dm3/kw min) idrogeno 1220 (J/ C m3) 25 1,9 (m3/kw min) Fluido 26

27 α = coefficiente di dilatazione dei gas perfetti γ = peso specifico del gas di raffreddamento c = calore specifico a pressione costante k = conducibilità termica del gas η = viscosità del gas aria c = 1009 J/ C kg ; α = 1/293 ; γ = 1,2 kg/m3 k = 0,025 W/ C m ; η = 0, kg/s idrogeno c = J/ C kg ; α = 1/293 ; γ = 0,084 kg/m3 k = 0,185 W/ C m ; η = 0, kg/s (W/m2) 27

28 3 Transitorio termico Facciamo riferimento al calore trasferito per unità di tempo [J/s] calore dissipato all esterno pd calore prodotto p calore accumulato nella massa del materiale pa p = pd + pa Tm : temperatura del materiale T0 : temperatura ambiente 28

29 Equazione del transitorio termico pd = Gd Tm dqa d ( Tm T0 ) pa = = mc p dt dt ponendo T0 = 0 Ctm = m c p capacità termica del materiale Gd k g A conduttanza termica complessiva kg coefficiente globale di trasmissione A superficie della macchina pa = 29 dqa dt = mc p m dt dt

30 Rete equivalente termica i V G C P T Gd Ctm i ic id V rete elettrica C G p pa pd Gd Ctm O Tm rete equivalente termica O (ambiente) 30

31 Transitorio di riscaldamento ( T ( t ) = Tr 1 e t τ ) τ Tr T(t) t Ctm mc p τ = = Gt ka Tr = Pp Gt = Pp ka 31

32 τ Tr riscaldamento ( T ( t ) = Tr 1 e t τ ) t Tr raffreddamento T ( t ) = Tr e t τ τ t 32

33 Trasformatore: rete termica equivalente in regime stazionario Gcu-fe~ 0 olio ol cu Fe Cu fe Pcu Pfe O 33

34 Trasformatore: rete termica equivalente in regime transitorio olio cu Fe Cu Ccu fe ol Pfe Pcu O 34 Cfe

Bruschi aumenti di temperatura Quando un aumento di temperatura avviene con un transitorio molto rapido (ad esempio in caso di corto circuito), si può in prima approssimazione ritenere che il

35 Bruschi aumenti di temperatura Quando un aumento di temperatura avviene con un transitorio molto rapido (ad esempio in caso di corto circuito), si può in prima approssimazione ritenere che il processo sia adiabatico: quindi tutto il calore prodotto serve ad aumentare la temperatura della macchina: T t = ρ J2 cp δ di solito si presume che l intervento delle protezioni avvenga in 1s: t = 1 s 35

Servizio di durata limitata Si ha quando una macchina, inizialmente a temperatura ambiente (T = 0) fornisce una potenza superiore alla nominale, con una potenza perduta Pp rimane in servizio per un

36 Servizio di durata limitata Si ha quando una macchina, inizialmente a temperatura ambiente (T = 0) fornisce una potenza superiore alla nominale, con una potenza perduta Pp rimane in servizio per un tempo t1 fino a raggiungere la temperatura Tmax rimane fuori servizio fino a che la sua temperatura torna ad essere quella ambiente Tr Tmax = Pp Gt (1 e ) t1 τ Tmax (t = ) = Pp Ppn = T Tmax Ppn Gt τ = 1 1 e t1 τ τ Ctm Gt t1 Ppn: potenza dissipata quando la macchina eroga la potenza nominale 36 t

Sovraccarico ammissibile nel servizio di durata limitata A temperatura massima ammissibile Tmax costante: Pp : potenza dissipata in sovraccarico

37 Sovraccarico ammissibile nel servizio di durata limitata A temperatura massima ammissibile Tmax costante: Pp : potenza dissipata in sovraccarico Ppn : potenza dissipata a potenza nominale t1 : durata del servizio in sovraccarico Pp Ppn τ = m cp Ctm = Gt ka t1 τ 6

38 Servizio intermittente T t1 t2 t tc = t1 + t2 Rapporto di intermittenza t1 t1 Rint = 100 = 100 t1 + t 2 tc 38

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